風(fēng)力發(fā)電機組的防雷研究

譚輝

摘要：根據(jù)中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會的數(shù)據(jù)，我國中東部和南部地區(qū)的低風(fēng)速風(fēng)資源可開發(fā)量可達10億千瓦，目前已開發(fā)的資源量約為6000 萬千瓦，不到7%，未來還有93%的資源量有待進一步開發(fā)。中東部低風(fēng)速區(qū)，資源分布不連續(xù)，土地資源稀缺，充分利用風(fēng)資源的需求下，分散式風(fēng)電在中東部地區(qū)將成為集中式的重要補充。截至2017年底，我國分散式裝機占比不足2%，而我國18省市適合分散式開發(fā)模式，市場空間廣闊，分散式風(fēng)電未來是具有一定市場前景的。進一步做好風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)設(shè)備的防雷研究，對于風(fēng)力發(fā)電公司能減少風(fēng)力發(fā)電機的停機時間及能量的損失，有明顯的社會經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；防雷；保護

引言

在當(dāng)前環(huán)境下，發(fā)展分散式風(fēng)電具有重要意義。一是有助于解決風(fēng)電介入對大電網(wǎng)的安全問題；二是分散式風(fēng)電都位于負荷中心附近，利于消納，避免了“棄風(fēng)”問題；三是解決了遠距離輸送帶來的能源損耗問題。隨著發(fā)電技術(shù)水平的不斷提高，單機容量大型化成為風(fēng)力發(fā)電的趨勢，為了獲取更多的能量，風(fēng)力發(fā)電機的塔架也建造的越來越高，相對的也增加了被雷擊的風(fēng)險，雷擊成了自然界中對風(fēng)力發(fā)電機組安全運行危害最大的一種災(zāi)害。雷電釋放的巨大能量會造成風(fēng)力發(fā)電機組葉片損壞、發(fā)電機絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。為了降低自然災(zāi)害帶來的損失，必須充分了解它，并做出有針對性的雷電防護措施。

1 風(fēng)力發(fā)電機組的介紹

風(fēng)力發(fā)電基本原理是：風(fēng)機葉片在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn)，并通過傳動軸和變速箱帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電力，然后經(jīng)過變壓、調(diào)頻等，再通過電纜送到外部電網(wǎng)。

風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)接地由幾大部分組成：由風(fēng)機葉片、輪轂、機艙彎頭、偏航系統(tǒng)、變漿系統(tǒng)、塔架及控制系統(tǒng)組成的，能將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。

（1）、輪轂和葉片部分

負責(zé)吸收風(fēng)能，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的動力。一般葉片由復(fù)合材料制成，重量輕，直接接觸雷云。

（2）、機艙部分

內(nèi)置變速箱、發(fā)電機組、和發(fā)電機電氣控制箱部分。電氣部分控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)動，偏航對風(fēng)，緊急情況下的剎車等。

（3）、塔筒和地基部分

為機艙、葉片等提供支撐，同時也是電纜走線和維修調(diào)試人員的通道，塔底開關(guān)柜控制電力的輸入和輸出。

2 風(fēng)力發(fā)電機設(shè)備防雷的特殊性

風(fēng)力發(fā)電機的防雷不同于普通的建筑物，它具有一定的特殊性，具體表現(xiàn)為下面的幾個特點：

2.1 所處的環(huán)境惡劣

風(fēng)機分散安置在曠野、山頂區(qū)域，大型風(fēng)機葉片高點（輪轂高度加風(fēng)輪半徑）達60～100 m，遭受雷擊概率高；風(fēng)力發(fā)電機組的電氣絕緣低（發(fā)電機電壓690 V、大量使用自動化控制和通信元件）。因此，就防雷來說，其環(huán)境遠比常規(guī)發(fā)電機組的環(huán)境惡劣。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機成本高

風(fēng)力發(fā)電機組是風(fēng)電場的貴重設(shè)備，價格占風(fēng)電工程投資60%以上。若其遭受雷擊（特別是葉片和發(fā)電機貴重部件遭受雷擊），除了損失修復(fù)期間應(yīng)該發(fā)電所得之外，還要負擔(dān)受損部件的拆裝和更新的巨大費用。

2.3 停工期損失大

風(fēng)力發(fā)電機在正常發(fā)電運行期間，如遭受雷擊帶來的不僅僅是設(shè)備的損壞，還會造成大量的停工時間。根據(jù)實際工作統(tǒng)計表明，由于雷擊造成的風(fēng)力發(fā)電機停工時間（這個停工時間主要是由電氣系統(tǒng)的檢修期、配件的定購期和運輸期等造成的），是風(fēng)力發(fā)電機各種故障中停工期最長的故障。

3 雷電對風(fēng)力發(fā)電機組的危害

風(fēng)力發(fā)電機通常位于開闊的區(qū)域，而且很高，所以整個風(fēng)機是暴露在直接雷擊的威脅之下，被雷電直接擊中的概率是與該物體的高度的平方值成正比。兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機的葉片高度達到150m以上，因此風(fēng)機的葉片部分特別容易被雷電擊中。風(fēng)機內(nèi)部集成了大量的電氣、電子設(shè)備，例如開關(guān)柜、馬達、驅(qū)動裝置、變頻器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)，以及相應(yīng)的總線系統(tǒng)等。這些設(shè)備都集中在一個很小的區(qū)域內(nèi)。毫無疑問，雷電感應(yīng)及過電壓可以給風(fēng)電機組帶來相當(dāng)嚴重的損壞。

4 風(fēng)力發(fā)電機組的雷電防護

風(fēng)機的防雷是一個綜合性的防雷工程，防雷設(shè)計的到位與否，直接關(guān)系到風(fēng)機在雷雨天氣時能否正常工作，并且確保風(fēng)機內(nèi)的各種設(shè)備不受損害等。

4.1直擊雷防護措施

在金屬塔架接地良好的情況下，葉片、機艙的外部（包括機艙）、塔架外部（包括塔架）、箱式變壓器應(yīng)屬于LPZ0 區(qū)，這些部位是遭受直擊雷（繞擊）或不遭受直擊雷但電磁場沒有衰減的部位。

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機的使用性質(zhì)及其重要性，參照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》50057-2010）關(guān)于建筑物的防雷分類，可以將風(fēng)力發(fā)電機劃分為二類防雷建筑。

參照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-2010 及《微波站防雷與接地設(shè)計規(guī)范》YD2011-93 相關(guān)條款，風(fēng)力發(fā)電機防雷接地電阻不能小于5Ω。

4.1.1葉片的防雷保護

直擊雷的防護在沒有技術(shù)突破的前提下仍然沿用傳統(tǒng)的防雷方法：利用自身的高度使雷云下的電場發(fā)生畸變，從而將雷電吸引，以自身代替被保護物受雷擊，以達到保護。這就要求風(fēng)機的葉片的制作及其材料提出很高的要求，即葉片必須能夠承受足夠大的電流，并且在葉片上添加導(dǎo)電性能良好、自身重量輕的類似于碳纖維的材料，用單獨的線纜將葉片與塔身連接在一起，為雷電流泄放提供一個良好的通道。

4.1.2機艙的防雷保護

機艙主機架除了與葉片相連，還連接機艙頂上接閃桿，接閃桿用作保護風(fēng)速計和風(fēng)標免受雷擊。主機架再連接到塔架和基礎(chǔ)的接地網(wǎng)，有接閃桿的保護，可以迅速導(dǎo)走直擊雷，避免機艙遭到直擊雷的襲擊。

4.1.3塔架及引下線

專設(shè)的引下線連接機艙和塔架，減輕電壓降，跨越偏航環(huán)，機艙和偏航剎車盤通過接地線連接，因此，雷擊時將不受到傷害，通過引下線將雷電順利地引入大地。此外，設(shè)計下引線時，應(yīng)考慮到，雷電流的傳輸不應(yīng)使葉片的溫度超過允許值。

防雷接地電纜應(yīng)有2 根接地引下電纜，即為葉片防雷接地電纜，直接從主軸滑環(huán)引入塔筒地基的2 個相鄰接地點；機艙防雷及 PE，直接從主軸滑環(huán)引入塔筒地基的其余的2個相鄰接地點。

4.1.4接地網(wǎng)

接地網(wǎng)設(shè)在混凝土基礎(chǔ)的周圍，并在塔基四周設(shè)置4個接地點，并應(yīng)在接地導(dǎo)體與塔基中間加上兩個環(huán)導(dǎo)體，使跨步電壓更加改善。風(fēng)機一般放置在高地電阻區(qū)域，地網(wǎng)要延伸保證接地電阻達到設(shè)備本身要求及規(guī)范要求。一個有效的接地系統(tǒng)，應(yīng)保證雷電迅速入地，為人員和設(shè)備提供最大限度的安全，以及保護風(fēng)機部件不受損壞。

4.2等電位連接

等電位連接是內(nèi)部防雷保護系統(tǒng)的重要組成部分。風(fēng)機中的各個部分需要有一個等電位連接。這些等電位可以防止發(fā)生雷擊時產(chǎn)生接觸電壓和跨步電壓，設(shè)備的等電位連接可以減少雷電對電氣和電子系統(tǒng)的損壞。

機艙外殼應(yīng)采用鋼板制成，作為承受直擊雷的載體，在機艙的上方安裝幾支接閃桿，防止雷電發(fā)生繞擊和側(cè)擊時，穿透機艙，對機艙內(nèi)設(shè)備造成損壞。如果機艙外殼為復(fù)合材料時，應(yīng)在機艙外面敷設(shè)金屬網(wǎng)格，兼作接閃器和屏蔽之用。網(wǎng)孔宜為30cm×30cm，鋼絲直徑不宜小于2.5mm。必要情況下，需通過屏蔽計算，加大金屬網(wǎng)格的密度和鐵絲的直徑。

風(fēng)輪與機艙間、機艙與塔柱間、尾舵與水平軸間應(yīng)通過鉚接、焊接或螺栓連接等方法做可靠電氣連接，也可以通過單獨的多股塑銅線（截面不小于16mm2），各連接過度電阻盡量小，一般不大于0.03Ω。以上各部件連接為一個電氣的整體，使之遭受雷擊時，能有一個快速的通道沿塔身引入接地裝置。

4.3 屏蔽措施

屏蔽裝置可以消弱電磁干擾。機艙應(yīng)該制成一個封閉的金屬殼體，相關(guān)的電氣和電子器件都裝在開關(guān)柜，開關(guān)柜和控制柜的柜體應(yīng)具備良好的屏蔽效果。在塔基和機艙的不同設(shè)備之間的線纜應(yīng)帶有外部金屬屏蔽層，且金屬屏蔽層的兩端均應(yīng)與等電位連接端子相連接。

由于風(fēng)力發(fā)電機為高聳塔式結(jié)構(gòu)，非常緊湊，發(fā)電機、信息系統(tǒng)、控制系統(tǒng)都靠近塔壁，無論風(fēng)輪、機艙、水平軸、還是尾舵受到雷擊，機艙內(nèi)的發(fā)電機及控制系統(tǒng)等設(shè)備可能受到機艙的高電位反擊，在電源和控制回路沿塔筒引下過程中，也可能受到反擊。電力和信息回路由機艙到地面并網(wǎng)柜、變流器、塔底控制柜處應(yīng)采取屏蔽電纜外，還應(yīng)穿入金屬接地套管，使反擊率降低。

各電氣柜采用金屬薄板制作，可以有效地防止電磁脈沖干擾，在電源控制系統(tǒng)的輸入端，處于暫態(tài)過電壓防護的目的，采用壓敏電阻或暫態(tài)抑制二極管等保護設(shè)備與屏蔽系統(tǒng)連接，每個電控柜用不小于16mm2的多股塑銅線與接地端子連接。

4.4 過電壓保護

對于防雷保護區(qū)邊界處的傳導(dǎo)性干擾也需要有相應(yīng)的保護措施，這樣才能讓電氣和電子設(shè)備可靠的工作。在防雷保護區(qū)的邊界處必須使用浪涌保護器，它不僅可以泄走大部分的雷電流而不會損壞設(shè)備，也可以將金屬設(shè)施和電源、信號線路之間由雷電引起的高電位差限制在安全的范圍之內(nèi)。

根據(jù)建筑物信息系統(tǒng)的重要性和使用性質(zhì)確定雷電防護等級，風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)備可以定為B級防護。在被保護的設(shè)備處加裝三級浪涌保護器。第一級采用開關(guān)型的電涌保護器，第二級和第三級采用限壓型的電涌保護器。

在發(fā)電機、開關(guān)盤等電源線路采用電源浪涌保護器保護。在控制器模塊電子組件、信號電纜終端等，采用信號浪涌保護器保護。風(fēng)力發(fā)電機組的機艙彎頭內(nèi)部的機艙柜、液壓站、電氣控制柜、塔筒內(nèi)底部的箱變、風(fēng)速風(fēng)向儀、變頻控制柜、變漿控制柜、發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)、發(fā)電機的定子側(cè)等部位都必須安裝浪涌保護器。

1）箱變的電源進線端與出線端應(yīng)安裝浪涌保護器；相關(guān)的傳感器二端應(yīng)安裝浪涌保護器；

2）變頻控制柜的電源線路上應(yīng)安裝浪涌保護器；相關(guān)的通信線路的二端應(yīng)安裝浪涌保護器；

3）機艙彎頭內(nèi)部所有電氣控制柜內(nèi)部的電源及信號線均應(yīng)安裝浪涌保護器；

4）變漿控制柜內(nèi)的電源及信號均應(yīng)安裝浪涌保護器；

5）風(fēng)速、風(fēng)向儀的電源及信號二端均應(yīng)安裝浪涌保護器；

6）機艙外部的吊裝設(shè)備的電源及信號二端均應(yīng)安裝浪涌保護器；

7）發(fā)電機的定子側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)及至變頻柜端均應(yīng)安裝浪涌保護器。

為防止沿低壓電源侵入的浪涌過電壓損壞用電設(shè)備，供電回路建議采用TN-S供電方式。

以上防護采用三級防護的原則，在易遭受直擊雷的部位加裝通過Ⅰ級分類試驗的電源浪涌保護器，在艙底的設(shè)備柜內(nèi)加裝通過Ⅱ級分類試驗的浪涌保護器，在弱點設(shè)備的電源處還應(yīng)加裝通過Ⅲ級分類試驗的浪涌保護器，使設(shè)備得到充分的保護。

5 結(jié)語

雷電能量非常巨大，雷擊方式是復(fù)雜的，采用合理適當(dāng)?shù)姆览状胧┲荒軠p少損失，只有更多新技術(shù)的突破和應(yīng)用才能對雷電進行完全防護并加以利用。通過風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)設(shè)備的防雷研究，為進一步做好風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的防雷以及對于制定風(fēng)力發(fā)電機的雷電災(zāi)害防御、應(yīng)急預(yù)案，制作防雷設(shè)計方案等有指導(dǎo)和實際意義。

參考文獻：

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[2]建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范GB50343-2012

[3]《微波站防雷與接地設(shè)計規(guī)范》YD2011-93